Un microscope électronique permet désormais de distinguer, à l’échelle de colonnes d’atomes, comment certains électrons se répartissent autour d’eux.
Pour comprendre ce résultat, il faut oublier l’image d’électrons tournant autour du noyau comme des planètes. En mécanique quantique, on décrit plutôt des régions où ils ont davantage de chances d’être présents. Ces régions sont appelées orbitales. Leur forme et leur orientation peuvent varier selon l’environnement de l’atome.
Un atome d'hélium avec son nuage d'électrons
Image Wikimedia
Une orbitale représente ici la zone où les électrons ont le plus de chances de se trouver. Certaines orbitales sont allongées dans une direction précise. Autrement dit, le « nuage » associé aux électrons peut s’étendre davantage verticalement, ou au contraire dans le plan du matériau.
Cette orientation compte car elle influence la façon dont les électrons peuvent se déplacer et interagir dans un solide. Elle peut donc participer à ses propriétés électriques ou magnétiques. Jusqu’à présent, les rayons X permettaient déjà d’étudier ce phénomène, mais surtout sous forme d’une moyenne portant sur de nombreux atomes.
La nouvelle méthode descend beaucoup plus localement.
Roger Guzman et ses collègues utilisent un microscope électronique à transmission. Un faisceau d’électrons extrêmement fin traverse un échantillon très mince. Après leur passage, les scientifiques mesurent l’énergie perdue par les électrons du faisceau et la direction dans laquelle ils ont été déviés.
L’astuce consiste à comparer le signal obtenu dans deux directions perpendiculaires. Si les électrons du matériau occupent davantage une orbitale orientée dans une direction donnée, cette différence apparaît dans les mesures. Le microscope peut répéter l’opération en déplaçant son faisceau d’un point à l’autre de l’échantillon.
Le résultat est une carte de l’organisation électronique du matériau. Sa résolution est inférieure à un ångström, soit moins de 0,1 nanomètre. Les auteurs atteignent ainsi une sensibilité correspondant à une seule colonne atomique. Une colonne désigne ici plusieurs atomes alignés dans la direction traversée par le faisceau du microscope.
Pour vérifier la méthode, l’équipe a étudié de fines couches d’un oxyde contenant du manganèse. Certaines étaient comprimées par leur support, d’autres légèrement étirées. Dans les deux cas, les électrons du manganèse privilégiaient des orbitales différentes. Le résultat correspond aux tendances déjà observées avec des mesures aux rayons X.
Cette précision devient particulièrement intéressante près d’un défaut ou à la frontière entre deux matériaux. À ces endroits, l’organisation des électrons peut changer sur quelques atomes seulement et disparaître dans une mesure moyenne. Les auteurs veulent maintenant utiliser cette technique pour étudier ces variations locales dans des matériaux quantiques et des interfaces artificielles.